menu_topo

Fale com o professor Lista geral do site Página inicial Envie a um amigo Autor

O fluxo do calor

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leobarretos@uol.com.br

As leis de conservação
Ao aceitar como verdadeiro o fato de que a energia se conserva, a humanidade, de certa maneira, alterou fundamentalmente o seu modo de encarar o universo. Esta alteração até hoje ainda não conseguiu penetrar inteiramente no pensamento humano. Em todas as eras os homens acreditaram que a fé pudesse mover montanhas, que uma varinha de condão ou uma lâmpada de Aladim podiam construir um castelo num piscar de olhos; que botas de sete léguas podiam anular o espaço...
No entanto, todas estas crendices românticas desaparecem ante a simples pergunta:

"De onde virá a energia necessária para tudo isto?"

Mas se queremos acabar com todos estes adoráveis sonhos, insistindo na redução de tudo que acontece à contabilidade de entrada e saída dos ganhos e perdas de energia, vejamos primeiro com certeza, se temos o direito de fazer isto. Em outras palavras, até onde vai a nossa certeza sobre a validade da lei da conservação da energia? Poderemos provar que esta lei é verdadeira?

Bem, não é possível provar a veracidade da lei, ao menos não até agora. Ninguém até hoje foi capaz de dar um motivo razoável para que a energia não devesse ser criada nem destruída. A única coisa que podemos dizer é que as observações mais laboriosas e as experiências mais engenhosas não puderam
fornecer, desde os tempos de Joule até hoje em dia, um único caso claro e insofismável de criação ou destruição de energia.
Enquanto isto for verdade, e enquanto a suposição de que a lei seja correta continuar se mostrando de uma utilidade ilimitada em muitas aplicações, os cientistas não a abandonarão.
Os cientistas não podem provar esta lei, mas eles têm tanta certeza de que ela seja verdadeira como da sua própria existência.

De fato, só uma vez a lei da conservação da energia foi abalada até as suas raízes. Isto foi em 1896, quando o fenômeno da radioatividade foi descoberto. Verificou-se, nesta ocasião, que certos elementos, como o urânio, produziam energia continuamente, sem que houvesse uma fonte aparente. O problema se tornou crucial em 1898, com a descoberta de novos elementos, como o polônio e o rádio, que irradiavam energia numa velocidade milhões de vezes maior do que o urânio, ainda sem que se pudesse descobrir uma fonte.

Em 1905, porém, o físico nascido na Alemanha, Albert Einstein publicou um ponto de vista novo e muito fundamental sobre o universo (geralmente denominado de teoria especial de relatividade), que endireitava as coisas, chamando a massa em salvamento.
Acontece que a massa em si também representa um fenômeno de conservação. O reconhecimento deste fato só se deu nos fins do século dezoito, e constitui uma surpresa para os cientistas.

A um observador casual, pareceria que uma vela acesa desaparece pouco a pouco, e que a sua massa é destruída. Por outro lado, quando o ferro enferruja, ele aumenta de peso, e isto pareceria indicar que houve criação de massa. Tais aparências, no entanto, resultam da não consideração da transformação de matéria sólida ou líquida em gases, ou da absorção de gases da atmosfera, no caso do 'enferrujamento'.

Em 1770, porém, o químico francês Antoine Laurent Lavoisier começou a aplicar processos de medida quantitativa às reações químicas, sistematicamente. Os resultados convenceram outros químicos da importância das determinações de massas (o termo popular para isso é 'pesagens') e das medidas. (Lavoisier, em conseqüência, recebeu o título melodramático de "Pai da Química".)
Realizando reações de combustão e de oxidação em recipientes fechados, e fazendo cuidadosas determinações de massa antes e depois das reações, Lavoisier conseguiu demonstrar que, uma vez levada em consideração a massa dos gases, produzidos ou consumidos, a massa total não se alterara de maneira perceptível durante as reações químicas.
Isto teve como conseqüência a lei da conservação da massa, que dizia que a massa podia alterar a sua forma, mas nunca poderia ser criada ou destruída. Em outras palavras, a quantidade total de massa existente no universo era a mesma hoje como sempre fora, e nunca será outra.

As leis da conservação da massa e da energia possuem aparência muito semelhante, e, durante a segunda metade do século dezenove, pensou-se destas duas leis como generalizações gêmeas: separadas e distintas, mas muito parecidas.

Em 1905, porém, Einstein conseguiu provar, através de uma dedução baseada em alguns poucos princípios fundamentais, que a massa deveria ser considerada uma forma de energia. De acordo com o seu ponto de vista, uma quantidade muito pequena de massa deveria ser igual a uma quantidade muito grande de energia. Sua famosa equação, e = mc2, onde e representa a energia, m representa a massa, e c representa a velocidade da luz, exprime este fato.
Pode-se mostrar, com esta equação, que 1 grama de massa equivale a aproximadamente 21 500 000 000 000 joules de energia.
Portanto, a energia libertada em fenômenos radioativos deixava de ser 'misteriosa'. Era produzida à custa de uma perda de massa tão insignificante que não podia ser detetada pelos instrumentos disponíveis na época. (Desde então, foram desenvolvidos certos instrumentos que podem medir massas desta ordem de grandeza, e as teorias de Einstein foram perfeitamente confirmadas.)

O desenvolvimento colossal de energia que acontece nas bombas e nos reatores nucleares dá-se, também, à custa de perdas de massa.
Mais importante ainda é a explicação que então surgiu para o fato de que o sol está irradiando energia incessantemente há muitas e muitas eras. Helmholtz preocupou-se com isto e sugeriu uma hipótese a qual dizia que o sol estaria lentamente diminuindo de volume, assim transformando energia potencial em calor e luz. Isto tinha uma certa lógica, mas envolvia algumas conseqüências inadmissíveis no que se refere à história passada do sistema solar. Por este motivo, esta idéia (hipótese) não satisfez os astrônomos.
Uma vez, porém, conhecido o fato de que o hidrogênio do sol podia ser convertido em hélio, com a perda de um pouco de massa e conseqüente libertação de enormes quantidades de energia, a existência da radiação solar (e aquela de todas as estrelas, em geral) podia ser explicada dentro dos limites da lei da conservação da energia.

Na linguagem corrente atual, compreende-se que, ao dizer "energia", a "massa" está automaticamente incluída. No entanto, para tornar este ponto ainda mais claro, costuma-se falar da lei da conservação da massa e da energia.
Assim, a radioatividade, que inicialmente pareceu abalar a lei da conservação da energia, acabou por estabelecê-la mais firme --- e mais espetacularmente do que nunca.
Na verdade, este princípio havia sido intuitivamente aceito por homens práticos, desde muito antes dos físicos se sentirem prontos a aceitá-lo como válido, baseado na evidência experimental.

O 'adeus' ao perpetuum mobile
Já em 1755 a Academia de Ciências de Paris recusou-se a considerar qualquer dispositivo que se destinasse a entregar mais energia do que consumia. Tal aparelho, se pudesse existir, poderia realizar trabalho e, assim mesmo, continuar em movimento indefinidamente, usando a energia que ele estaria, na realidade, criando. Teríamos, portanto, um perpetuum mobile, um dispositivo de movimento perpétuo.
O escritório de patentes dos E.U.A. (United States Patent Office) de hoje em dia não aceitará nenhum pedido de patente para dispositivos do tipo de movimento perpétuo, a não ser que o inventor apresente um modelo que funcione --- coisa que até hoje nunca aconteceu.

No entanto, se a lei da conservação da energia dizia que não se podia extrair mais trabalho de qualquer dispositivo do que aquele equivalente à energia introduzida, parecia razoável esperar que fosse possível obter, ao menos, a mesma quantidade de trabalho, igual àquela equivalente à energia introduzida. Em outras palavras, se não era possível ter-se um lucro de energia, ao menos deveria ser possível evitar um prejuízo.
Nem isso algum modelo de perpetuum mobile conseguiu fazer! Centenas de modelos de 'moto contínuo' precisam de um 'empurrãozinho' para começar a funcionar --- e, nem o trabalho útil equivalente a esse empurrãozinho é recuperado.

Esta possibilidade (obter de volta pelo menos aquilo que se dá) foi uma força propulsora natural para as investigações teóricas sobre o funcionamento da máquina a vapor, no início do século dezenove. (O público em geral costuma dar um valor demasiadamente baixo às conquistas teóricas que servem de base a uma criação inventiva coroada de êxito. O próprio Watt, quando desenvolveu a sua máquina a vapor, foi guiado pelas pesquisas de Black sobre o calor latente. No entanto, quantas pessoas, conhecendo a invenção de Watt, percebem que ela só foi possibilitada pelo alicerce criado pela teoria de Black?)
Mesmo as melhores máquinas de Watt, por mais úteis e desejáveis que fossem, não apresentavam eficiência melhores do que 5 por cento. Isto é, o que se obtinha de trabalho não era mais do que o equivalente a 5 por cento da energia calorífica introduzida. Parecia haver um amplo espaço para melhorias neste setor, sem que fosse violada alguma lei de conservação de energia. Mesmo considerando perdas inevitáveis, através do atrito, da condução térmica, e assim por diante, não parecia haver um motivo forte para que a eficiência não pudesse ser levada para um valor próximo de 100 por cento.

A 'camisa de força' de Carnot
Ao menos parecia ser assim, até que um físico francês Nicolas Leonard Sadi Carnot, iniciou os seus estudos sobre o fluxo do calor e as suas relações com o trabalho, criando, assim a ciência da termodinâmica (do grego "movimento do calor").
Esta ciência foi adquirindo importância cada vez maior no decorrer do século dezenove. Assim, quando a lei da conservação da energia foi estabelecida numa forma clara, sua importância fundamental no que se refere a toda e qualquer interconversão entre energia e trabalho fez com que ela recebesse um outro nome: primeira lei da Termodinâmica. Às vezes, esta lei é citada, quase reverentemente, como a primeira lei, apenas.
Carnot, fundador da ciência, pouco tempo trabalhou nela, pois morreu aos trinta e seis anos de idade, durante uma epidemia de cólera em Paris. Mesmo assim, teve tempo suficiente para fazer muita coisa. Em 1824 (com vinte e oito anos), publicou um pequeno livro intitulado Reflections sur la Puisance Motrice du Feu (Reflexões sobre a Potência Motriz do Fogo), no qual descrevia as suas pesquisas e os raciocínios que lhe sugeriram até onde o calor podia ser transformado em trabalho.
Carnot mostrou que apenas uma certa fração da energia térmica podia ser convertida em trabalho, e não mais. Mesmo em condições ideais. Ou seja, mesmo eliminando o atrito e as perdas para o exterior. Esta fração (a camisa de força de Carnot) dependia da diferença entre a temperatura do vapor e a temperatura da água condensada (usando-se a escala absoluta de temperaturas obtida da lei de Charles, na qual, a leitura 0 absoluto corresponde à - 273 na escala relativa Célsius). Chamando de T2 a primeira temperatura, e de T1 a segunda, então a fração do calor conversível em trabalho será, no melhor dos casos:

(T2 - T1)/T2

A fração de calor convertida --- ou, em outras palavras, a eficiência --- é a mesma, independentemente da substância que está sendo aquecida e resfriada. Esta poderia ser água, mercúrio ou qualquer outra coisa; somente as temperaturas absolutas envolvidas interessam. Por este motivo, a equação de Carnot --- ou a camisa de força de Carnot, como prefiro --- se aplica a qualquer máquina térmica, e não apenas à máquina a vapor.

Como exemplo, suponhamos que o vapor usado numa máquina de Watt esteja a uma temperatura de 100 oC, ou seja, 373 K, enquanto a água na qual ele será transformado, por condensação, está a 5 oC, ou 278 K. A equação de Carnot ficaria:

(373 - 278) / 373 = 0,255

Cerca de uma quarta parte do calor introduzido pode ser transformada em trabalho, e nem um pingo a mais, por mais perfeita que seja a máquina, e por mais ideal o seu funcionamento. Para aumentar a eficiência, seria necessário empregar vapor superaquecido, para aumentar o valor de T2, ou um líquido com ponto de ebulição mais alto e ponto de fusão mais baixo do que a água (como, por exemplo, o mercúrio). Ambos estes artifícios têm sido empregados, mas mesmo as máquinas a vapor do tipo mais moderno não ultrapassam uma eficiência de 0,25.

A equação de Carnot não somente mostrou o caminho que devia ser seguido para aumentar a eficiência das máquinas térmicas, mas também conduziu a uma nova generalização, de enorme importância.
Se a equação de Carnot for correta, isto significa que não se pode obter trabalho de uma máquina onde os reservatórios frio e quente estejam à mesma temperatura. Num caso destes, T2 seria iguala T1, de modo que a equação passaria a conter, por exemplo, somente T2 :

(T2 - T2) / T2 = 0 / T2 = 0

Para dar um exemplo específico, consideremos o seguinte: existe energia na água do mar, mesmo se esta estiver gelada. Quando esta água do mar congela, cada um grama liberta 80 calorias de calor (conforme Black mostrou, quando fez as suas primeiras medidas de calor latente).

Por que, então, um transatlântico não poderia extrair este calor, usando-o para mover as suas máquinas?

Um pouco de água ao redor do navio poderia esfriar, e até mesmo congelar, mas o volume de água contido nos oceanos, e o calor existente nesta água, são quantidades tão vastas, que a perda porcentual necessária para mover todos os transatlânticos do mundo (e também todas as outras máquinas, de um modo geral) seria insignificante --- e de qualquer maneira seria devolvida aos oceanos pelo aquecimento proveniente da luz solar.
Nesta possibilidade deslumbrante, não existe nenhuma violação da primeira lei da termodinâmica. Não se cria energia simplesmente do nada. Apenas se converte energia de uma forma (calor contido nos oceanos) para uma outra (energia cinética das hélices em movimento giratório); ora, a conversão da energia de uma forma para a outra é especificamente permitida, de acordo com a primeira lei da termodinâmica.

No entanto, jamais um esquema destes conseguiu funcionar; não foi criado, até hoje, um dispositivo que possa aproveitar a energia térmica de uma substância que esteja, toda ela, a uma mesma temperatura. Em outras palavras, é uma questão de experiência comum da humanidade que a equação de Carnot se revela verdadeira em todas as situações examinadas até hoje. Para que se possa converter calor em trabalho, é preciso haver uma diferença de temperatura em alguma parte do sistema --- e, ainda assim, não conte com aproveitamento integral! Essa é a camisa de força!

Lord Kelvin exprimiu isto assim: uma transformação cujo único resultado final seja transformar em trabalho o calor extraído de uma fonte que esteja, toda ela, a uma mesma temperatura, é impossível.
Esta é uma das maneiras de enunciar aquilo que agora é chamado de segunda lei da termodinâmica, ou, às vezes, apenas de segunda lei.
A segunda lei de maneira nenhuma é tão obviamente inevitável --- uma vez aplicada --- como a primeira.

Poderemos, talvez com pesar, encarar o fato de que a energia não pode ser simplesmente criada a partir do nada (primeira lei), mas se a energia existe, por que é que nós não a podemos nem mesmo usar (segunda lei)? Se não podemos ter lucro, porque ao menos não podemos evitar um prejuízo?

Bem, nós todos estamos acostumados a considerar a energia do movimento, uma vez que é esta a forma de energia com a qual lidamos todos os dias. Talvez o princípio encerrado na segunda lei possa ser mais bem explicado, e tornar-se mais razoável, se considerarmos o caso de corpos que caem.
Um corpo (uma pedra, por exemplo) que cai pode realizar trabalho ao atingir o chão. Este 'trabalho' poderá consistir em matar um homem, ou em quebrar uma noz, ou simplesmente em fazer um buraco no chão, mas sempre há realização de trabalho. Uma vez em repouso sobre a superfície da terra, o corpo não pode mais fazer trabalho enquanto permanecer simplesmente nesta posição de repouso. O trabalho realizado foi devido ao fato do corpo mover-se de um ponto de elevada energia potencial (digamos o alto de um penhasco de 100 metros de altura) para um ponto de energia potencial menor (como a base do penhasco em questão).
Mas o corpo que está em repouso sobre a superfície da terra ainda possui energia. Cavando-se um buraco de 100 metros de profundidade a seu lado, e deixando que ele caia neste buraco, este corpo poderá, novamente, realizar trabalho, e talvez (mas, não conte seriamente com isso) o mesmo trabalho que ele fez ao cair do penhasco. Isto acontece porque uma nova diferença de energia potencial foi criada.
Com o calor, a situação é a mesma. O calor contido no oceano não pode ser convertido em trabalho, a não ser que se tenha um reservatório mais frio que a água do oceano, ou mais quente do que ela. Podemos exprimir este fato de maneira mais concisa possível:

assim como não é a pedra, mas a pedra que está caindo, que realiza trabalho, não é o calor, mas uma translação de calor, que produz o trabalho.

Além do mais, conforme você mesmo sabe, da sua experiência pessoal, um corpo qualquer só cai num sentido --- para baixo. Se fosse possível fazer um corpo cair para cima e para baixo, então seria possível fazer com que o mesmo objeto realizasse trabalho continuamente, caindo, primeiramente, do penhasco para o fundo do vale, e depois, para cima, do fundo do vale outra vez para cima do penhasco, e assim por diante. Na realidade, porém, qualquer corpo só cai de um ponto de energia potencial mais alta para outro de energia potencial menor.
A situação é análoga para todas as outras formas de energia e, em particular, para o calor. Em 1850, o físico alemão Rudolf Julius Emanuel Clausius exprimiu isto explicitamente, dizendo que

em qualquer processo espontâneo (processo que se desenrola por si, sem interferência externa) o calor sempre passa do corpo mais quente para o mais frio, e nunca ao contrário.

Na verdade, todos nós sabemos disto, e todos nós admitimos como fato óbvio, que uma chaleira de água que se encontra sobre um jato de gás em chamas se aquecerá, fazendo com que a água ferva, e que esta água quente poderá eventualmente fundir uma quantidade de gelo. Achamos perfeitamente natural a suposição de que o calor passará do corpo mais quente para o corpo mais frio, e não o contrário.
A mesma certeza está implícita na equação de Carnot, pois se o calor não transitasse exclusivamente de corpos mais quentes para corpos mais frios, ele poderia passar de uma parte a outra de um reservatório de água inteiramente à mesma temperatura, obtendo-se trabalho desta maneira.
Portanto, a declaração de Clausius nada mais é, em palavras diferentes, do que a regra de Carnot-Kelvin sobre a impossibilidade de extrair trabalho de um sistema todo à mesma temperatura. De fato, Clausius apenas enunciou, em outras palavras, a segunda lei da termodinâmica.

Clausius não se limitou, porém, a estabelecer esta lei sobre a transição do calor (que qualquer pessoa conhece por experiência própria, sem precisar consultar um cientista), mas ele reconheceu que se tratava, aí, de uma generalização vastíssima, que desempenha um papel importante em todos os fenômenos energéticos, em todas as circunstâncias e em qualquer parte do universo. Por este motivo, Clausius geralmente é considerado como "descobridor" da segunda lei da termodinâmica.

Lá vem a entropia!
Tudo isto traz à baila um outro ponto interessante. Toda máquina térmica necessita de um certo intervalo de tempo para converter calor em trabalho. Nenhuma máquina é capaz de fazer esta transformação instantaneamente. Durante a realização do trabalho, passa calor do reservatório quente para o ambiente (que geralmente está mais frio do que aquele); o contrário nunca acontece. Portanto, o reservatório quente está esfriando continuamente, e o reservatório frio está se aquecendo. A diferença de temperatura tende a diminuir com o decorrer do tempo. Menos energia térmica é convertida em trabalho do que se espera com base nas temperaturas originais dos dois reservatórios.

Nota- Na realidade, o reservatório quente não se esfria, e o frio não se aquece, pois existe um fogo (fonte quente) que está constantemente aquecendo o vapor, e uma corrente de água fria (fonte fria), que está continuamente resfriando o condensador. Por vezes é difícil perceber os 'desperdícios' ocorridos tanto na fonte quente quanto na fria. Perceba que uma parte do calor do fogo não pode ser usada na produção de trabalho, pois é empregada para manter a temperatura do vapor (recorde que o fluido que participa da conversão é o vapor e não o fogo da fonte), e uma parcela da capacidade da água fria absorver calor é gasta para manter a baixa temperatura do condensador. Assim, você vê que ainda não estamos extraindo do sistema todo aquele trabalho que esperaríamos obter, se considerássemos apenas as temperaturas das fontes e a equação de Carnot.

Pode-se imaginar uma máquina térmica na qual o reservatório quente e o frio estejam, ambos, a temperaturas mais elevadas do que o ambiente, mas neste caso o reservatório quente perderia calor mais depressa do que o frio. Se ambos estivessem a temperaturas inferiores àquela do ambiente, então o reservatório quente ganharia calor mais lentamente do que o frio. Em ambos os casos, a diferença de temperaturas tenderia a diminuir.
Na verdade, em todo sistema destinado a transformar qualquer forma de energia em trabalho, existe uma diminuição da diferença de energias, com o decorrer do tempo. Ou então, uma parte do trabalho potencial oferecido por esta diferença de energias não se realiza, devido à necessidade de vencer algum atrito, ou algum outro tipo de resistência ao fluxo natural da energia.
Clausius, em 1865, inventou uma quantidade que englobava esta energia inevitavelmente perdida, juntamente com a temperatura absoluta, chamando-a de entropia do sistema.
Naturalmente, é possível imaginar uma máquina térmica perfeita, protegida de modo que não haja absorção de calor do ambiente, nem perdas de calor para este ambiente; uma máquina onde não ocorram perdas devidas ao atrito, e assim por diante. Em tais condições, todo o trabalho inerente a uma determinada diferença de temperatura é, de fato, realizado. Não há "energia perdida". Em todo processo real, porém, aparece o atrito e aparecem as trocas de calor com o ambiente. Geralmente, tem-se uma certa parcela de "energia perdida", e esta parcela aumenta com o decorrer do tempo.


Relações temperatura - energia - entropia

Usando as palavras de Clausius, podemos dizer, concisamente

em todo processo espontâneo, a entropia ou não varia (caso ideal) ou cresce (casos reais).

Abandonando o caso ideal, podemos ter certeza de uma coisa: no nosso mundo real, a entropia sempre cresce.
Uma vez que isto é uma conseqüência inevitável da transição unidirecional do calor, temos, aí, mais uma forma de enunciar a segunda lei da termodinâmica.

Quando consideramos as leis da termodinâmica, não devemos esquecer nunca que elas valem para sistemas fechados; isto é, estas leis se aplicam a porções do universo, que nós imaginamos como sendo isoladas de toda e qualquer influência por parte de, ou sobre outras porções. Se estivermos trabalhando com sistemas abertos, estas leis facilmente poderão ser, aparentemente, violadas.

Por exemplo, imaginemos que estamos observando uma chaleira com água: verificaremos, talvez, que o conteúdo de energia da chaleira está continuamente aumentando, até que a água entre em ebulição; depois, a ebulição continua até que toda a água tenha desaparecido. Se considerarmos apenas a chaleira, e nada mais, poderemos achar que a primeira lei tenha sido violada: uma quantidade de energia que apareceu 'misteriosamente', do nada.
Isto, porém, ninguém aceitaria, nem por um momento, como verdadeiro. Você, ou qualquer pessoa, teria certeza, mesmo sem olhar, que abaixo da chaleira deveria haver uma chapa quente, ou um fogo de gás. Esta fonte sendo incluída como parte integrante do sistema, não mais existe o problema da energia que aparece 'misteriosamente': desaparece a violação da primeira lei.
Como outros exemplos, de violações aparentes da segunda lei, onde a causa é a consideração de sistemas abertos, consideremos que um corpo pode se deslocar do chão para o alto de um grande edifício, e que o calor pode passar de um corpo mais frio para outro mais quente. Você está constantemente testemunhando coisas desta natureza, e se você concentrar a sua atenção exclusivamente sobre o corpo em ascensão ou sobre o calor em transição, terá forçosamente que concluir que estes processos constituem uma violação da segunda lei.
Mas o sistema a considerar deve conter mais. O corpo em questão sobe desde o nível do chão até o alto do edifício por intermédio de um elevador, movido por um forte motor. O calor que sai do interior de um refrigerador (ambiente frio) para o local ambiente, mais quente, também só consegue isto às custas de um motor. Incluindo o motor no sistema, e levando em consideração as transições de energia que ocorrem no seu interior, você verificará que o fluxo de energia no sentido natural é maior do que aquele no sentido não natural (que aparece na forma do corpo ascendente ou do calor em transição do lugar frio para o quente).

Em outras palavras, o decréscimo local de entropia (que invariavelmente acompanha todo e qualquer fluxo de energia no sentido oposto àquele indicado pela segunda lei), numa parte do sistema, é mais do que equilibrado, por um aumento bem maior de entropia, em outra parte do sistema.

Levando em consideração o sistema todo, a variação liquida, final, sempre se dá no sentido da entropia crescente.
Na verdade, quando estamos trabalhando com a própria realidade, e não com as construções imaginárias dos físicos teóricos, torna-se difícil imaginar um sistema realmente fechado. O ambiente externo sempre exerce alguma influência, e portanto deve ser levado em consideração.
Assim, o corpo humano, se for deixado isolado, na forma de um sistema fechado, morrerá em poucos minutos (pois o ar, em se tratando o corpo como um sistema fechado, deve ser excluído, como parte do ambiente externo).
Pode-se considerar que o sentido natural de transformação, com aumento de entropia, seja da vida para a morte. O fato de não morrermos, mas persistirmos em viver, às vezes por um século ou mais, é devido ao seguinte: nosso corpo não constitui um sistema fechado, mas faz parte de um sistema maior, que inclui o ar que respiramos e o alimento que comemos. As inter-relações existentes entre todas as formas de vida, e entre estas e todo o mundo inanimado do planeta, fazem supor, razoavelmente, que apenas a terra toda, e nunca uma parte dela, poderão formar, realmente, um sistema fechado.

Mas, mesmo a terra toda, não basta para formar um sistema fechado. Pois se isto acontecesse, a vida também não duraria por muito tempo, pois a superfície da terra esfriaria, os oceanos congelariam, e assim por diante. Isto, por sua vez, seria uma transformação natural, envolvendo um aumento de entropia. Esta catástrofe só não acontece por ser a terra parte de um sistema maior, que inclui o sol, cujo calor evita que o nosso planeta esfrie.
Até mesmo o sistema solar não é verdadeiramente um sistema fechado. Ele é afetado por forças gravitacionais provenientes do resto da galáxia, e por outras influências mais sutis. Toda parte do universo tem algum efeito sobre todas as outras partes, e é lógico supor-se que não existe, na realidade, nenhum outro sistema fechado que não seja o universo todo. De acordo com este ponto de vista, só no universo inteiro a entropia deve aumentar continuamente. Em qualquer porção menor do universo, é concebível que a entropia diminua localmente e temporariamente, às custas de um aumento maior no resto do universo.
Naturalmente, se a quantidade de energia contida no universo for finita, e se a entropia continuar a aumentar indefinidamente, algum dia deverá ser atingido um valor máximo de entropia, no qual não haverá mais nenhuma diferença de temperatura no universo. Neste caso, toda a energia se tomaria inaproveitável; não haveria mais processos espontâneos; não poderiam ocorrer mais transformações equilibradas. Esta imagem representa a morte térmica do universo, ponto de vista que adquiriu grande popularidade na parte final do século dezenove.

Vida e ausência de vida
Está sempre presente a questão da distinção entre "vida e ausência de vida". Será que a termodinâmica poderá ser chamada para por termo a essa distinção original? Uma premissa razoável para essa distinção seria que "o que tem vida pode fazer esforços, coisa que os objetos inanimados não podem fazer".

Você agora pode perceber que o ato de "fazer um esforço" está inevitavelmente associado a uma diminuição local de entropia. Se você estiver segurando uma pedra no ar, não terá que fazer esforço algum para abaixá-la: basta deixá-la cair. No entanto, é preciso um esforço para erguer a pedra.
A pedra, abandonada a si própria, só se moveria para baixo, no sentido do "não esforço". Ela não pode "fazer o esforço" de subir. Para dizer isto termodinamicamente: a pedra, abandonada a si mesmo, sofrerá, talvez, um aumento de entropia, mas nunca uma diminuição.

Um organismo vivo, porém, pode "fazer o esforço" de diminuir a entropia ao menos de uma parte do sistema que o circunda (é verdade que isto se dá às custas de um aumento ainda maior na entropia do resto do sistema). Mesmo o mais simples dos organismos móveis pode forçar uma diminuição local de entropia, pulando, voando, trepando, andando, rastejando ou nadando para cima. Mesmo organismos sedentários, como uma ostra ou um carvalho, podem fazer com que ocorram diminuições locais de entropia, em processos vários, diferentes do simples movimento.
Será que se justifica, então, dizermos que a distinção entre a vida e a natureza inanimada reside no fato de que a vida pode criar diminuições locais de entropia, e que os objetos inanimados não podem fazer isto?

Nós certamente estamos no caminho certo. Mas infelizmente a distinção, enunciada desta maneira, é insuficiente. O calor do sol produz, na Terra, diminuições locais de entropia, quando evapora a água dos oceanos, levantando enormes massas de vapor de água a grandes alturas. Forças existentes no seio da terra conseguem levantar grandes montanhas de rochas a quilômetros de altura, outra vez ocasionando gigantescas diminuições de entropia. No entanto, nem o sol nem a terra são organismos vivos, de acordo com as definições empregadas pelo homem moderno para caracterizar a vida.
Precisamos elaborar mais ainda a nossa distinção. Precisamos continuar nos aprofundando nos pequenos e sucessivos passos da Ciência .

 


Copyright © Luiz Ferraz Netto - 2000-2011 ® - Web Máster: Todos os Direitos Reservados

Nova pagina 1